对流传热系数的测定

1、沏户/卡实验报告课程名称：过程工程原理实验（甲）I指导老师:成绩：实验名称：对流传热系数的测定同组学生丘冢一一、实验目的和要求1 .掌握空气在传热管内对流传热系数的测定方法，了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。2 .把测得的数据整理成Nu=ARen形式的准数方程，并与公认式进行比较。3 .了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。二、实验装置与流程本实验流程图如下图1、2所示，实验装置由蒸汽发生器、孔板流量计（变送器）、变频器、套管换热器（强化管和普通管）及温度传感器、智能显示仪表等构成。空气-水蒸气换热流程：来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器的壳程，与被风机抽进的空气进行换

2、热交换，不凝气或未冷凝蒸汽通过阀门（F3和F4）排出，冷凝水经排出阀（F5和F6）排入盛水杯。空气由风机提供，流量通过变频器改变风机转速达到自动控制，空气经孔板流量计进入套管换热器的管程，热交换后从风机出口排出。注意：普通管和强化管的选取：在实验装置上是通过阀门（F1和F2）进行切换，仪表柜上通过旋钮进行切换，电脑界面上通过鼠标选取，三者必须统一。图1横管对流传热系数测定实验装置流程图图2竖管对流传热系数测定实验装置流程图图中符号说明见下表所示符号名称单位备注V空气流量M/h紫铜管规格119M1.5mm,即内径为16mm,有效长度为1020mmF1,F2为管路空气切换阀门F3,F4为不凝汽排除

3、阀F5,F6为冷凝水排出阀t1空气进口温度Ct2普通管空气出口温度Ct3强化管空气出口温度CT1蒸气发生器内的蒸汽温度CT2普通管空气出口端铜管外壁度CT3普通管空气进口端铜管外壁度CT4普通管外蒸气温度CT5强化管空气出口端铜管外壁度CT6强化管空气进口端铜管外壁度CT7强化管外蒸气温度C三、实验内容和原理在工业生产过程中，大量情况下，采用间壁式换热方式进行换热。所谓间壁式换热，就是冷、热两种流体之间有一固体壁面，两流体分别在固体壁面的两侧流动，两流体不直接接触，通过固体壁面（传热元件）进行热量交换。本装置主要研究汽一气综合换热，包括普通管和加强管。其中，水蒸汽和空气通过紫铜管间接换热，空气

4、走紫铜管内，水蒸汽走紫铜管外，采用逆流换热。所谓加强管，是在紫铜管内加了弹簧，增大了绝对粗糙度，进而增大了空气流动的湍流程度，使换热效果更明显。3.1间壁式传热基本原理如图3所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。Tt热流体与固体壁面的对数平均温差可由（2）式计算:固体壁面与冷流体的对数平均温差可由（3）式计算:热、冷流体间的对数平均温差可由（4）式计算:式中：Q传热量，J/s；mi、m2分别为热流体、冷流体的质量流量，kg/s；Cpi、Cp2分别为定性温度下热流体、冷流体的比热，J/（kg七）；Ti、T2分别为热流体的进、出口温度

5、，；ti、t2分别为冷流体的进、出口温度，；«i、«2分别为热流体、冷流体与固体壁面的对流传热系数，W/（m2*）；.2Ai、A2分别为热流体、冷流体测的传热面积，m；1-Twm、«-twm分别为热流体、冷流体与固体壁面的对数平均温差，（；K以传热面积A为基准的总传热系数，W/(m2)；2A平均传热面积，m;Atm冷、热流体的对数平均温差，C。本实验的强化管或普通管换热，热流体是蒸汽，冷流体是空气3.2空气流量的测定空气在无纸记录仪上显示的体积流量，与空气流过孔板时的密度有关，考虑到实际过程中，空气的进口温度不是定值，为了处理上的方便，无纸记录仪上显示的体积流量是

6、将孔板处的空气密度向当作1kg/m3时的读数，因此，如果空气实际密度不等于该值，则空气的实际体积流量应按下式进行校正：VV(5)：0、，一一、一'_空气质量流量m：m=VP0(6)式中：V空气实际体积流量，m3/s；3V无纸记录仪上显示的空气的体积流量，m/s。P0空气在孔板处的密度，kg/m3。本实验中P。即为空气在进口温度t1下对应的密度。3.3 空气在传热管内对流传热系数”的测定3.3.1 牛顿冷却定律法在本装置的套管加热器中，环隙内通水蒸气，紫铜管内通空气，水蒸气在紫铜管表面冷凝放热而加热空气。在传热过程达到稳定后，空气作为冷流体，空气侧传热由式(1)可得：mc(t2ti)=c

7、tA(tw-t1(7)mct2-t)即a=2(8)AtW-1mtwi和02分别是换热管空气进口处的内壁温度和空气出口处的内壁温度，当内管材料导热性能很好，即人值很大，且管壁厚度较小时，可认为TW1%tW1及TW2之tW2,TW1和TW2分别是空气进口处的换热管外壁温度(T3和T6)和空气出口处的换热管外壁温度(T2和T5),见流程图。一般情况下，直接测量固体壁面温度，尤其是管内壁温度，实验技术难度较大，因此，工程上也常采用通过测量相对较易测定的流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流传热系数。下面介绍其他两种测定对流传热系数值的实验方法(3.3.2和3.3.3)。3.3.2 近似法以管内壁面积

8、为基准的总传热系数与对流传热系数间的关系为：bd2d2RS2'.RS1丁dmdid2二idi(9)式中：di、d2分别为换热管的外径、内径，m；dm换热管的对数平均直径，m；b换热管的壁厚，m；,换热管材料的导热系数，W/（m七）；Rsi、Rs2分别为换热管外侧、内侧的污垢热阻，m2K/W。总传热系数K可由式（i）求得：(io)久2约为几十到几百W/m2?K;Qm2cp2t2-LKA%A.%用本装置进行实验时，管内空气与管壁间的对流传热系数d2一而管外为烝汽冷凝，冷凝给热系数ai可达i04W/m2?K左右，因此冷凝传热热阻可idi忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻Rs

9、1a也可忽略。实验中的传di,热兀件材料不用紫铜，导热系数九为383.8W/m?K,壁厚为1.5mm,因此换热管壁的导热热bdo阻一工可忽略。若换热管内侧的污垢热阻Rs2也忽略不计，则由式（9）得，dmu定K（11）由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法测得的”的准确性就越高。3.3.3 简易Wilson图解法空气和蒸汽在套管换热器中换热，空气在套管内被套管环隙中的蒸汽加热，当管内空气做充分湍流时，空气侧强制对流传热系数可表示为a=Cu0.8（12）将式（12）代入式（9）,得到：110bd2d2d2FRs2+-+RS1-+-（13KCudmdi-idi13)依据3.3

10、.2的分析，式（13）右侧后三项在本实验条件下可认为是常数，则由式（可得：一=一两+常数KCu0.8(14),.1式(14)为Y=mX+B线性方程，以Y,X=K作图，如图4-4所示;图4简易Wilson图解法作图0.8u由实验线的斜率m得到:0.8:Cu0.8u(15)3.4 拟合实验准数方程式由实验获取的数据计算出相关准数（Nu和Re）后，在双对数坐标纸上,拟合NuRe直线，从而确定拟合方程，得出实验关系式:(16)nNu=ARe式中：Nu努赛尔数，Nu=,无因次;Re雷诺数，Redu；3.5 传热准数经验式对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，传热准数经验式为:(17)Nu=0.023

11、Re°.8Prnc口式中：Pr普兰特数，Pr=c,无因次。上式适用范围为：Re=1.0父1041.2父105,Pr=0.7120,管长与管内径之比L/d>60o当流体被加热时n=0.4,流体被冷却时n=0.3。式中：入一一定性温度下空气的导热系数，W/（m七）;u空气在换热管内的平均流速，m/s；3P定性温度下空气的留度，kg./m；定性温度下空气的黏度，Pa*So在本实验条件下，考虑Pr变化很小，可认为是常数，则(17)改写为:0.8(18)Nu=0.02Re附注：在0-100C之间，空气物性与温度的关系式有如下拟合公式：(1)空气的密度与温度的关系式：口=10，2-4.51

12、0t1.2916(2)空气的比热与温度的关系式：60七以下Cp=1005J/(kg),70以上Cp=1009J/(kg(3)空气的导热系数与温度的关系式：,=-210，2-810，-0.0244(4)空气的黏度与温度的关系式：N=(2父10届+5父10工t+1.7169卜10四、操作方法和实验步骤1 .检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常，将蒸汽发生器灌水至液位2/3处。2 .打开总电源开关、仪表电源开关，开启蒸汽发生器加热。同时，稍微开启两个不凝气体排出阀，控制温度在100cC左右。3 .等有大量不凝气体冒出时，蒸汽缓缓进入换热器环隙以加热套管换热器，再打开换热器冷凝水排放阀，使环隙中

13、的冷凝水不断地排出。4 .启动风机，选择设备的普通管，选择仪表及显示的测定管路与设备必须一致，通过控制软件上的“流量设定”，合理分配流量，调节风量至最大值进行实验，然后依次减小空气流量。待流量和热交换稳定后，采集数据。5 .普通管测好后.切换阀门选择设备的强化管，选择仪表及电脑显示的测定管路与设备必须一致，数据测定方法同步骤4,采集数据。6 .实验结束时，先关闭蒸汽发生器电源，待蒸汽发生器内温度下降至95以下后，再关闭风机电源，关闭总电源，做好清洁工作。五、实验数据记录及处理1.普通管表1普通管原始数据普通管冷流体流量3（m/h）冷流体进口温度/C冷流体出口温度/C蒸汽进口处壁温/C蒸汽出口处

14、壁温/C管外蒸汽温度/C加热器汽相温度/C19.2322.471.2103.8103.1104.4104.714.5422.873.1103.9103.3104.3104.310.8923.074.0103.0102.4103.2103.18.0223.174.3101.0100.4101.7102.1运用附注中的公式（1）计算空气的在各个温度下相应的密度，再根据公式（5）、（6）将空气的体积流量转化为质量流量运用公式（1）进行计算传热速率：表2校正流量，质量流量及传热速率冷流体流量3（m/h）冷流体进口温度（C）相应密度3.(kg/m)校正后体积流里3（m/h）校正后质量流量（kg/s）传热

15、速率（J/s）19.2322.41.19617.585-35.841*10286.4814.5422.81.19413.3054.414*10-3223.1210.8923.01.1939.969-33.305*10169.388.0223.11.1937.343-32.433*10125.21a.平均传热温差（牛顿冷却定律法）根据所测的管的外壁温以及所测的冷流体进出温度算出温度推动力，再根据对数平均计算平均传热温差b.平均传热温差（近似法）根据所测的管外蒸汽温度以及所测的冷流体进出温度算出温度推动力，再根据对数平均计算平均传热温差二冷流体进口温度/C冷流体出口温度/C蒸汽进口处壁温/C蒸汽出

16、口处壁温/C管外蒸汽温度/C/C平均传热温差A/C22.471.2103.8103.1104.4105.17103.3222.873.1103.9103.3104.384.1283.0923.074.0103.0102.4103.266.0265.4323.174.3101.0100.4101.751.3050.25表3平均传热温差及平均传热温差：根据所给数据算出管的内表面积a.牛顿冷却定律法根据公式（7）、（8）进行计算（也用对数平均来求取温差）b.近似法用根据公式（1）进行计算：表4牛顿冷却定律法及近似法测对流传热系数冷流体流里（m/h）传热速率（J/s）牛顿法对流传热系数（W/（m2*c

17、）近似法对流传热系数（W/（m2*C）总传热系数K(W/(m2*C)19.23286.48105.30103.45103.4514.54223.1284.1283.0983.0910.89169.3866.0265.4365.438.02125.2151.3050.2550.25简易Wilson图解法根据公式（14）作图，运用近似法求得K根据图形的拟合，可得直线的斜率m=1/C=0.1301。0.0210)W)g2m0.01900.01700.01500.01300.01100.0090y=0.13019x-0.0006R2=0.99940.07000.09000.11000.13000.15

18、000.17001/u0.8(s0.8/m0.8)图51/K-1/uA0.8拟合图再根据公式（15）,求取对流传热系数表5简易Wilson图解法对流传热系数冷流体流量3(m/h)校正冷流体流速(m/s)总传热系数K(W/(R*C)1/Kd/0.81/u对流传热系数(W/(吊*)19.2324.29103.450.00970.077998.8114.5418.3883.090.01200.097479.0510.8913.7765.430.01530.122762.758.0210.1450.250.01990.156749.13三种方法比较:表6三种方法对流传热系数冷流体流量(m3/h)对流传

19、热系数(W/(m2*C)牛顿冷却定律法近似法图解法19.23105.30103.4598.8114.5484.1283.0979.0510.8966.0265.4362.758.0251.3050.2549.132.强化管表7强化管原始数据记录强化管冷流体流量3(m/h)冷流体进口温度/C冷流体出口温度/C蒸汽进口处壁温/C蒸汽出口处壁温/C管外蒸汽温度/C加热器汽相温度/C19.9523.277.2100.9101.0102101.912.8823.281.8100.0100.1101.6101.68.0523.385.0100.1100.2101.8101.8运用附注中的公式(1)计算空气

20、的在各个温度下相应的密度，再根据公式(5)、(6)将空气的体积流量转化为质量流量运用公式(1)进行计算传热速率：表8校正流量，质量流量及传热速率冷流体流量3(m/h)冷流体进口温度(C)相应密度3.(kg/m)校正后体积流里3(m/h)校正后质量流量(kg/s)传热速率(J/s)19.9523.21.19318.2686.052*10-3328.4312.8823.21.19311.7943.907*10-3230.108.0523.31.1927.373-32.442*10151.40a.平均传热温差(牛顿冷却定律法)：根据所测的管的外壁温以及所测的冷流体进出温度算出温度推动力，再根据对数平

21、均计算平均传热温差b.平均传热温差(近似法)根据所测的管外蒸汽温度以及所测的冷流体进出温度算出温度推动力，再根据对数平均计算平均传热温差-：表9平均传热温差及平均传热温差冷流体进冷流体出蒸汽进口蒸汽出口处管外蒸/C平均传热口温度口温度处壁温壁温/C汽温度温差/C/C/C/C/C23.277.2100.9101.010245.5146.7023.281.8100.0100.1101.640.7342.6323.385.0100.1100.2101.837.9739.97根据所给数据算出管的内表面积：a.牛顿冷却定律法根据公式(7)、(8)进行计算(也用对数平均来求取温差)b.近似法用根据公式(1

22、)进行计算：表10牛顿冷却定律法及近似法测对流传热系数冷流体流里(m/h)传热速率(J/S)牛顿法对流传热系数(W/(m2*C)近似法对流传热系数(W/(m2*C)总传热系数K(W/(m2*C)19.95328.43140.75137.18137.1812.88230.10110.15105.28105.288.05151.4077.7873.8873.88简易Wilson图解法根据公式(14)作图，运用近似法求得K根据图形的拟合，可得直线的斜率m=1/C=0.0779oy=0.0779x+0.0013-J-R2=0.9980.0150)0.0130W上0.01102m(0.0090K10.0

23、0700.00500.07000.09000.11000.13000.15000.17001/u0.8(S0.8/M0.8)图61/K-1/uA0.8拟合图再根据公式(15),求取对流传热系数表11简易Wilson图解法对流传热系数冷流体流量3(m/h)校正冷流体流速(m/s)总传热系数K(W/(R*C)1/Kd/0.81/u对流传热系数(W/(m*c)19.9525.24137.180.00730.0756169.8712.8816.29105.280.00950.1072119.708.0510.1973.880.01350.156282.20三种方法比较:表12三种方法对流传热系数冷流体

24、流量(m3/h)对流传热系数(W/(m2*C)牛顿冷却定律法近似法图解法19.95140.75137.18169.8712.88110.15105.28119.708.0577.7873.8882.20实验数据分析总结两管冷流体的一些物性根据附注中所给的公式用冷流体的定性温度计算出冷流体的黏度、导热率等，再将它们与冷流体的流速、密度、对流传热系数等因素整合在一起：表13物性总结表冷流体流量(m/h)冷流体流速(m/s)冷流体密度(kg/m3)冷流体黏度*10-5(P)冷流体的导热系数(W/(m*C)对流传热系数(W/(R*c)普通管19.2324.321.0781.9810.028798.81

25、14.5418.381.0831.9730.028679.0510.8913.771.0901.9640.028462.758.0210.141.0971.9550.028349.13强化管19.9525.241.1031.9460.0281169.8712.8816.291.1181.9260.0278119.708.0510.191.1281.9140.027682.20拟合实验准数方程式通过定义求出努塞尔数Nu和雷诺数Re的值:表14Nu和Re冷流体流量(m/h)NuRe普通管19.2355.0521145.614.5444.2416146.910.8935.3012226.88.022

26、7.799103.0强化管19.9596.6022893.712.8868.8715129.68.0547.669604.3100y=0.0275x0.8134y=0.0171x0.81110500050000Re图7Nu-Re双对数坐标系曲线拟合其中，所以普通管的拟合结果为：强化管的拟合结果为：而传热经验式为：，利用传热经验式任意地取几组（Nu,Re）点，将其与普通管、强化管在同一张图上显示:NuRe31.701000043.841500055.192000063.8624000表15传热经验式的Nu和Re100y=0.0275x"8134y=0.02x0.8y=0.0171x0.

27、81110500050000Re图8拟合曲线总和图因为努塞尔数Nu代表了对流传热与厚度为d的流体层内热传导之比，努塞尔数Nu越大，对流传热强度越大。从上图中可看出，在相同的雷诺数Re条件下，强化管的努塞尔数Nu>普通管的，即强化管空气侧的对流传热强度比普通管的，所以相同条件下强化管比普通管的传热量更多，即传热效果更好。这一实验结果与理论相吻合。（理论上将流体侧的热阻都假想成集中于管内壁上热边界层，热边界层从入口开始从零开始增长直到汇合于圆管中心线，边界层越薄，则对流传热系数越大。如果边界层中出现湍流，则湍流的扰动和混合作用会使局部对流传热系数有所提高，而强化管中的弹簧就是相当于起到了让边

28、界层中出现湍流，增加流体的湍动程度的作用。）再对比通过实验所拟合的普通管、强化管的Nu-Re线与用传热经验公式所拟合的Nu-Re线，可以发现，普通管所拟合的线应与传热经验公式相近，而强化管会高于两者。这与理论相符本实验可能存在的误差有：1 .实验过程存在不可忽视的热损失，实验装置只用了一层黑泡沫包裹保温，且有一段没有包裹，所以热流体的热损失很大，削减了传热效果；2 .可能是因为实验中的热流体侧的冷凝水没有排尽，实验中不仅有冷凝过程，还有冷却过程，大大削减了传热效果；3 .且我们后续的拟合数据是通过近似法求得，如果管壁上有污垢，那么管壁上的传热热阻就不能忽略，污垢的存在加大了传热热阻，削减了传热效果，且计算得的实验数据本身误差就比较大；4 .在实验中是将空气近似为理想气体，将孔板流量计处的压强近似看成大气压，但流速改变，对应的压强也会相应改变，会对实验结果产生误差；5 .每次记数据的等待时间太短了，体系还未形成一种稳态，所以导致了实验误差；6 .强化管的拟合公式与传热经验公式不匹配还有一个特殊的原因，即传热经验公式的针对对象是对圆形直管，而强化管内安有弹簧，装置不能再严格称为圆形直管；7 .强